nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền thoại qua đường dây điện lực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
––––––––––––––––––––––––––



NÔNG VĂN NIỆP





NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG
TRUYỀN THOẠI QUA ĐƢỜNG DÂY ĐIỆN LỰC

Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
Mã số: 60 52 70




LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT



Ngƣời hƣớng dẫn khoa học:TS. NGUYỄN THANH HÀ

THÁI NGUYÊN - 2010

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC
KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc


THUYẾT MINH
LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT

Học viên: Nông Văn Niệp
Lớp: Cao học - K11
Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện tử
Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Thanh Hà
Ngày giao đề tài: 20 tháng 01 năm 2010.
Ngày hoàn thành: … tháng … năm 2010.

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TS Nguyễn Thanh Hà
HỌC VIÊN



Nông Văn Niệp

BAN GIÁM HIỆU
KHOA SAU ĐẠI HỌC





Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu,
kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và là công trình nghiên cứu của
riêng tôi, luận văn này không giống hoàn toàn bất cứ luận văn hoặc các công
trình đã có trước đó.
Thái Nguyên, ngày 30 tháng 8 năm 2010
Tác giả luận văn

Nông Văn Niệp

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


iii
LỜI CẢM ƠN

Trong suốt quá trình học tập và tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận
tình của các thầy cô giáo và tôi đặc biệt muốn cảm ơn Thầy giáo TS. Thanh Hà,
Phó trưởng khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái
Nguyên đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tôi trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn
sự giúp đỡ của gia đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua.
Mặc dù đã cố gắng, song do điều kiện về thời gian và kinh nghiệm thực tế
còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi thiếu sót. Vì vậy, tôi rất mong nhận
được sự đóng góp ý kiến của các thầy cô cũng như của các bạn bè, đồng nghiệp.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Tác giả luận văn


Nông Văn Niệp


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


iv
LỜI NÓI ĐẦU
Trong những năm đầu của thế kỷ 21, công nghệ viễn thông đã có những tiến bộ vượt

bậc với những thành tựu vô cùng to lớn mang lại cho con người rất nhiều tiện ích trong đời
sống cũng như trong mọi lĩnh vực hoạt động khác. Đẩy mạnh sự phát triển của công nghệ
viễn thông là một trong những hướng phát triển chung được sự quan tâm đặc biệt của tất cả
các nước trên thế giới.
Nước ta cũng đã xác định công nghệ viễn thông là một ngành công nghiệp mũi
nhọn đóng vai trò hết sức quan trọng đối với sự thành công của công cuộc công nghiệp
hoá- hiện đại hoá đất nước trong thế kỷ 21, thế kỷ của nền kinh tế tri thức.
Hiện nay, công nghệ truyền thông tin trên đường dây điện lực PLC (Power
Line Communication) đã mở ra hướng phát triển mới trong lĩnh vực thông tin. Với
việc sử dụng các đường dây truyền tải điện để truyền dữ liệu, công nghệ PLC cho
phép kết hợp các dịch vụ truyền tin và năng lượng. Trước đây, những thành tựu của
khoa học kỹ thuật từ những năm 50 của thế kỷ 20 đã cho phép sử dụng đường dây
điện lực để truyền các tín hiệu đo lường, giám sát, điều khiển. Cùng với tốc độ phát
triển nhanh chóng của các công nghệ khác trong lĩnh vực viễn thông và công nghệ
thông tin, hiện nay công nghệ PLC đã cho phép cung cấp dịch vụ truyền tải điện kết
hợp với các ứng dụng khác như: đo lường từ xa, quản lý điều khiển và phân phối tự
động từ xa, truy nhập Internet, truyền thoại và video trên đường dây điện lực
Đối với một học viên sắp tốt nghiệp chuyên ngành “Kỹ thuật điện tử”,
việc bổ xung những kiến thức chuyên môn mới, thực tế là rất cần thiết và có ý nghĩa
rất quan trọng. Trong thời gian vừa qua, nhờ sự liên hệ, bố trí của các thầy-cô giáo
trong Khoa sau đại học, Khoa Điện tử - Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp và sự
giúp đỡ chu đáo, tận tình của Thầy giáo TS. Nguyễn Thanh Hà, tôi đã phần nào
nắm được những kiến thức cơ bản về PLC (Power line Communication) - một công
nghệ truyền tin mới với nhiều đặc tính ưu việt, nổi trội, hứa hẹn mang lại một sự
phát triển mạnh mẽ hơn bao giờ hết cho mạng viễn thông thế giới và Việt Nam
trong một tương lai gần.
Luận văn tốt nghiệp của tôi có tiêu đề: “Nghiên cứu xây dựng hệ thống truyền
thoại qua đường dây điện lực” với nội dung tóm lược một cách cơ bản về công nghệ
truyền thông PLC và xây dựng một hệ thống truyền thoại quá PLC. Qua đó tạo tiền đề cho
việc tìm hiểu các quá trình truyền thông tin thoại qua mạng PLC, tạo tiền đề cho việc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


v
nghiên cứu , khai thác các ứng dụng đã có của công nghệ này trên thế giới và tiến tới áp
dụng nó một cách có hiệu quả vào Việt Nam trong tương lai.
Luận văn gồm ba chương. Trong đó đưa ra các vấn đề sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ PLC
Tìm hiểu chung về lịch sử phát triển PLC; Cập nhật các thành tựu có được của
công nghệ PLC trên thế giới; Phân tích rõ nguyên lý và sơ đồ khối cơ bản của một hệ
thống PLC và cuối cùng đưa ra một số ứng dụng hiện tại của PLC; Cập nhật các tiêu
chuẩn truyền thông cho PLC đã ban hành;
Chương 2: Một số kỹ thuật triển khai trên hệ thống PLC
Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hệ thống PLC; Một số kỹ thuật nhằm làm giảm
ảnh hưởng của nhiễu và suy hao tín hiệu đến chất lượng của hệ thống PLC bao gồm phối
ghép lưới điện, mã hóa, điều chế, trải phổ…
Chương 3: Xây dựng hệ thống truyền thoại qua PLC
Phân tích lựa chọn phương thức điều chế phù hợp với mục tiêu thiết kế. Ứng dụng
vi điều khiển 8051 nhằm phân tích, thiết kế và lắp ráp mạch thực minh chứng cho quá trình
điều khiển thiết bị và truyền thoại qua đường dây điện lực.
Như đã trình bày ở trên, công nghệ PLC đã được khẳng định là công nghệ của thế
kỷ 21. Tuy nhiên, hiện nay nhiều vấn đề liên quan đến công nghệ này vẫn còn đang được
nghiên cứu hoàn thiện, việc thương mại hoá các sản phẩm cũng ở mức hạn chế. Luận văn
này chắc chắn không tránh khỏi các hạn chế, thiếu sót, rất mong được sự chỉ bảo của các
thầy cô giáo và bạn đọc quan tâm.
Cuối cùng em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới tất cả các thầy- cô giáo trong
Khoa sau đại học, Khoa Điện tử và đặc biệt là thầy giáo TS. Nguyễn Thanh Hà, người đã
giúp đỡ em hoàn thành luận văn tốt nghiệp quan trọng này.

Thái Nguyên ngày 30 tháng 08 năm 2010
Ngƣời thực hiện



Nông Văn Niệp



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


vi
MỤC LỤC

THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT i
LỜI CAM ĐOAN ii
LỜI CẢM ƠN iii
LỜI NÓI ĐẦU iv
MỤC LỤC vi
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ x
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT xiii
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC 1
1.1. Lịch sử phát triển công nghệ PLC 1
1.1.1. Khái niệm PLC 1
1.1.2. Một số thành tựu đạt được của PLC 3
1.1.3. Phân loại công nghệ 4
1.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của hệ thống truyền thông tin trên
đường cáp điện lực 6

1.2.1. Nguyên lý cơ bản của hệ thống 6
1.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống 7
1.3. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC 8
1.3.1. Ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát lưới điện và đồng hồ 9
1.3.2. Truyền thông đường dài tốc độ cao 9
1.3.3. Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC 9
1.3.4. Ứng dụng trong gia đình - Intelligent home 10
1.4. Các giao thức truyền thông qua đường dây điện lực 10
1.4.1. X10 10
1.4.2. Lonwork 12
1.4.3. CEBus 13
1.4.4. HomePlug 14
1.5. Kết luận chương 15
CHƢƠNG 2: MỘT SỐ KỸ THUẬT TRIỂN KHAI TRÊN HỆ THỐNG PLC 17
2.1. Đặc tính kênh truyền đường cáp điện 17
2.1.1. Sự giới hạn băng thông 18

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


vii
2.1.2. Nhiễu trên đường cáp điện 19
2.1.3. Trở kháng đường truyền và sự phối hợp trở kháng 22
2.1.4. Suy hao trên lưới điện 23
2.1.5. Hiện tượng sóng dừng 23
2.1.6. Sự phát xạ sóng điện từ và khả năng gây nhiễu 24
2.2. Ghép nối với lưới điện - xử lý tín hiệu 25
2.2.1. Mạch ghép tín hiệu 25
2.2.2. Các bộ lọc tương tự 29
2.3. Các phương thức mã hóa 31

2.3.1 Mã xoắn 31
2.3.2. Mã Reed - Solomon 35
2.4. Các phương thức điều chế tín hiệu 38
2.4.1. Tổng quan về kỹ thuật điều chế trong viễn thông 38
2.4.2. Điều chế dạng khoá dịch biên độ ASK 41
2.4.3. Điều chế dạng khoá dịch tần số FSK. 41
2.4.4. Điều chế dạng khoá dịch pha PSK và khoá dịch pha vi phân DPSK 42
2.4.5. Các dạng điều chế sử dụng trong viễn thông điện lực 43
2.5. Kỹ thuật trải phổ 45
2.5.1. Trải phổ dãy trực tiếp 46
2.5.2. Trải phổ nhảy tần FH-SS (Frequence Hopping Spread Spectrum) 52
2.6. Công nghệ OFDM 53
2.6.1. Nguyên tắc cơ bản của OFDM 54
2.6.2. Tính trực giao 55
2.6.3. Hệ thống OFDM 56
2.6.4 Chống nhiễu liên ký hiệu (ISI) bằng cách sử dụng khoảng bảo vệ 58
2.7. Kết luận chương 59
CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG HỆ THỐNG TRUYỀN THOẠI QUA PLC 61
3.1. Yêu cầu thiết kế và lựa chọn phương án thực hiện 61
3.1.1. Các yêu cầu của thiết kế 61
3.1.2. Lựa chọn phương án thực hiện 61
3.1.3. Xây dựng sơ đồ khối cho hệ thống 62
3.2. Thử nghiệm các phương thức điều chế 64
3.2.1. Điều chế và giải điều chế ASK 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


viii
3.2.2. Điều chế và giải điều chế FSK 67

3.2.3. Điều chế và giải điều chế BPSK 71
3.2.4. Điều chế và giải điều chế FM 74
3.3. Thiết kế cụ thể và thi công 76
3.3.1. Thiết kế modul phát 78
3.3.2. Thiết kế modul thu 84
3.3.3. Sơ đồ nguyên lý , lưu đồ thuật toán và sơ đồ mạch thực 90
3.3.4. Nhận xét 96
3.4. Kết luận chương 97
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98
TÀI LIỆU THAM KHẢO 100
PHỤ LỤC 1: HỌ VI ĐIỀU KHIỂN 8051 102
PHỤ LỤC 2: IC VÒNG KHÓA PHA 4046 104
PHỤ LỤC 3: CHƢƠNG TRÌNH CHO VI ĐIỀU KHIỂN 106



Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


ix
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1. So sánh các phương thức điều chế 77
Bảng 3.2. Khung truyền của tín hiệu 79

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


x
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đường dây điện lực 1
Hình 1.2: Truyền thông tin qua đường dây điện 2
Hình 1.3: Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đường dây điện 7
Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống 7
Hình 1.5: Ứng dụng PLC trong quản lý điện 9
Hình 1.6: Mạng thông tin PLC 9
Hình 1.7: Mô hình ứng dụng PLC trong gia đình - Intelligent home 10
Hình 1.8: X10 timing on 60 Hz waveform 11
Hinh 1.9: X10 packet format 12
Hình 1.10: CEBus spread spectrum chirp 14
Hình 2.1: Mô hình hệ thống truyền thông tin số trên đường dây điện lực 17
Hình 2.2: Phổ tần PLC của thông tin nội bộ 18
Hình 2.3: Ví dụ về sự méo tín hiệu trên lưới điện 18
Hình 2.4: các băng tần trong tiêu chuẩn CENELEC 19
Hình 2.5: Xung nhiễu xuất hiện khi bật đèn 20
Hình 2.6: Nhiễu xung tuần hoàn 21
Hình 2.7: Nhiễu phát ra khi chạy máy hút bụi và phổ tần của nó 21
Hình 2.8: Suy hao trong gia đình tại tần số 130 KHz 23
Hình 2.9: Hiện tượng sóng dừng 24
Hình 2.10: Mạch ghép dung kháng 26
Hình 2.11: Mạch ghép kết hợp LC 28
Hình 2.12: Các mạch lọc RC 29
Hình 2.13: Các mạch lọc LC đơn giản 30
Hình 2.14: Các mạch cộng hưởng LC 30
Hình 2.15: Mạch lọc thông dải dùng vi mạch HA17741 31
Hình 2.16: Ví dụ bộ mã hóa mã chập tỷ lệ 1/2 32
Hình 2.17: Sơ đồ cây biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23 33
Hình 2.18: Sơ đồ lưới biểu diễn bộ mã hóa mã xoắn ở hình 2.23 34
Hình 2.19: Sơ đồ lưới giải mã 35

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


xi
Hình 2.20: Đường sống và kết quả giải mã 35
Hình 2.21: Hệ thống sử dụng mã RS. 36
Hình 2.22: Bộ mã hoá Reed-Solomon 37
Hình 2.23: Các dạng tín hiệu được điều chế ASK, PSK, FSK 40
Hình 2.24: Phổ công suất tín hiệu khi điều chế số 41
Hình 2.25: Hiệu suất của một số kĩ thuật điều chế khác nhau trong việc làm
giảm nhiễu 44
Hình 2.26: Sơ đồ mô hình hệ thống thông tin trải phổ 46
Hình 2.27: Trải phổ chuỗi trực tiếp DSSS 47
Hình 2.28: Sơ đồ trải phổ trực tiếp kiểu BPSK 48
Hình 2.29: Sơ đồ trải phổ trực tiếp đơn giản 49
Hình 2.30: Sơ đồ giải điều chế trải phổ dạng đơn giản 49
Hình 2.31: Trải phổ dãy trực tiếp điều chế pha 4 mức 52
Hình 2.32: Trải phổ nhảy tần FHSS 53
Hình 2.33: Sơ đồ mô hình hệ thống trải phổ nhảy tần 53
Hình 2.34: Phổ của tín hiệu FDM và OFDM 54
Hình 2.35: a. Tác động của nhiễu đối với hệ thống đơn sóng mang 54
b. Tác động của nhiễu đến hệ thống đa sóng mang 54
Hình 2.36: Phổ của các sóng mang trực giao 56
Hình 2.37: Sơ đồ nguyên lý tạo một ký hiệu OFDM 56
Hình 2.38: Sơ đồ một hệ thống OFDM 58
Hình 2.39: Ảnh hưởng của ISI 58
Hinh 2.40: Chèn khoảng bảo vệ là khoảng trống 59
Hình 2.41: Chèn khoảng bảo vệ Cyclic prefix 59
Hình 3.1: Sơ đồ khối hệ thống hoạt động đơn công 63

Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống hoạt động bán song công 64
Hình 3.3: Sơ đồ điều chế ASK 64
Hình 3.4: Mạch giải điều chế ASK 65
Hình 3.5: Dạng tín hiệu đo được ở máy phát và thu 67
Hình 3.6: Mạch vòng khóa pha PLL cơ bản 68
Hình 3.7: Sơ đồ điều chế FSK dùng CD4046 69

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


xii
Hình 3.8: Sơ đồ giải điều chế FSK dùng CD4046 70
Hình 3.9: Dải tần sử dụng cho thử nghiệm FSK 71
Hình 3.10: Sơ đồ điều chế BPSK 72
Hình 3.11: Sơ đồ giải điều chế BPSK 72
Hình 3.12: Dạng sóng của tín hiệu BPSK tại máy thu 73
Hình 3.13: Sơ đồ điều chế FM với PLL4046 75
Hình 3.14: Sơ đồ giải điều chế FM 76
Hình 3.15: Mạch điều khiển Modul phát 78
Hình 3.16: Mạch điều chế FSK và FM 80
Hình 3.17: Mạch khuếch đại âm tần 81
Hình 3.18: Mạch khuếch đại phát 82
Hình 3.19: Mạch phối ghép Modul phát với lưới điện 83
Hình 3.20: Mạch phối ghép Modul thu với lưới điện 84
Hình 3.21: Mạch khuếch đại thu 86
Hình 3.22: Mạch giải điều chế FSK 87
Hình 3.23: Mạch giải điều chế FM 88
Hình 3.24: Mạch điều khiển Modul thu 89
Hình 3.25: Lưu đồ thuật toán của Modul phát 90
Hình 3.26:

Sơ đồ nguyên lý Modul phát
91
Hình 3.27: Lưu đồ thuật toán của Modul thu 92
Hinh 3.28.: Sơ đồ nguyên lý của Modul thu 94
Hình 3.29: Sơ đồ mạch in một lớp cho mỗi modul thông tin (cả thu và phát) 95
Hình 3.30: Mạch thực của các modul truyền thoại qua PLC 96


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


xiii
DANH MỤC CÁC THUẬT NGỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Tiếng Anh
Tiếng Việt
ASIC
Application Specific Intergrate Circuit
Mạch tích hợp ứng dụng đặc biệt
AM
Amplitude Modulation
Điều biên
AMR
Automated Meter Reading
Tự động đọc công tơ
AMM
Automated Meter Management
Tự động quản lý công tơ
ASK
Amplitude Shift Keying

Khóa dịch biên
BER
Bit Error Rate
Tỉ lệ lỗi bit
BPSK
Binary Phase Shift Keying
Khóa dịch pha nhị phân
BSC
Base Station Control
Điều khiển trạm gốc
BSK
Binary Shift Keying
Khoá dịch pha cơ hai
BTS
Base Transceiver Station
Trạm thu phát gốc
CDMA
Code Divission Multiplex Access
Đa truy nhập phân chia theo mã
CEPT
Conference of European Posts and
Telecommunication Administrations
Hội nghị về quản lý bưu chính viễn
thông Châu Âu
CIS
Customer Information Service
Dịch vụ thông tin khách hàng
DCU
Data Concentration Unit
Đơn vị tập trung dữ liệu

DM
Delta Modulation
Điều tần
DS
Direct Sequence
Chuỗi trực tiếp
DSSS
Direct Sequence Spread Spectrum
Trải phổ dãy trực tiếp
DPSK
Differential Phase Shift Keying
Khóa dịch pha vi phân
EPRI
Electrical Power research Institution
Viện nghiên cứu điện năng
FFH
Fast Frequency Hopping
Nhảy tần nhanh.
FH
Frequency Hopping
Nhảy tần
FHSS
Frequency Hopping Spread Spectrum
Trải phổ nhảy tần
FM
Frequency Modulation
Điều tần
FSK
Frequency Shift Keying
Khóa dịch tần

FDM
Frequency Division Multiplexing
Đa truy nhập theo tần số
FPGA
Field Programmable Gate Array
Phạm vi có thể lập trình cổng mạng
GSM
Global System for Mobile communication
Điện thoại di động toàn cầu
HCS
Host Center Station
Trạm máy chủ trung tâm
HLR
Home Local Register
Thanh ghi định vị thường trú
HPR
High Power Radio
Kênh vô tuyến công suất cao

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


xiv
IMEI
International Mobile Equipment Identifier
Nhận dạng thiết bị di động quốc tế
IMSI
International Mobile Subscriber Identifier
Nhận dạng thuê bao di động quốc tế
ISDN

Intergrated Service Digital Network
Mạng số tổ hợp dịch vụ
ISI
Inter Symbol Interference
Nhiễu ISI
LAN
Local Area Network
Mạng khu vực
LPR
Low Power Radio
Kênh vô tuyến công suất thấp
MIU
Đơn vị giao tiếp đồng hồ
Đơn vị giao tiếp đồng hồ .
MS
Mobile Station
Máy di động
MSC
Mobile Switching Center
Trung tâm chuyển mạch di động
OFDM
Orthogonal Frequency Division
Multiplexing
Điều chế đa sóng mang
PC
Personal Computer
Máy tính cá nhân
PCM
Pulse Code Modulation
Điều chế xung mã

PIN
Personal Identification Number
Số nhận dạng cá nhân
PLC
Power Line Communication
Truyền thông trên đường cáp điện
PLL
Phase Locked Loop
Vòng khóa pha
PLM
Power Line Modem
Modem điện lực
PRBS
Pseudo Random Binary Sequence
Chuỗi nhị phân giả ngẫu nhiên
PSK
Phase Shift Keying
Khóa dịch pha
PSTN
Public Switching Telephone Netwwork
Mạng chuyển mạch điện thoại công
cộng
QAM
Quadrature Amplitude Modulation
Điều chế biên cầu phương
Q-PSK
Quadrature Phase Shift Keying
Khoá dịch pha cầu phương
RF
Radio Frequency

Tần số vô tuyến
RMR
Remote Meter reading
Đọc công tơ từ xa
RTU
Remote Tranceiver Unit
Thiết bị phát từ xa một chiều
SF
Selective Fading
Pha định lựa chọn
Smart
IMS
Smart Integrated Metering System
Hệ thống đo lường tích hợp thông
minh
SIM
Subscriber Identifier Modul
Đơn vị nhận dạng thuê bao
SSMA
Spread Spectrum Multiple Access
Đa truy nhập trải phổ
VLR
Visitor Local Register
Thanh ghi định vị tạm trú
WLL
Wireless Local Loop
Truy nhập không dây nội hạt


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

1
CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ PLC
1.1. Lịch sử phát triển công nghệ PLC
1.1.1. Khái niệm PLC
PLC (Power Line Communication) là công nghệ sử dụng mạng lưới đường
dây cung cấp điện năng cho mục đích truyền tải thông tin nhằm tiết kiệm chi phí
đầu tư (hình 1.1).

Hình 1.1: Hệ thống truyền thông tin trên đƣờng dây điện lực
PLC được phát triển bởi Northern Telecom và United Utilities, có khả
năng truyền số liệu ở tốc độ trên 1Mbps (thế hệ X10) dựa trên cơ sở hạ tầng điện
lực có sẵn.
Công nghệ PLC ra đời do những nguyên nhân sau:
• Nhu cầu truy nhập Internet băng thông rộng rất bức thiết, trong khi các công
nghệ truy nhập băng rộng khác vì các lí do khác nhau chưa được cung cấp.
• Mạng lưới điện hạ thế có sẵn ở khắp nơi, dải tần trên đường dây điện chưa
được sử dụng hết (50-60 Hz).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


2
• Đối với các nhà khai thác viễn thông mới việc xây dựng mạng truy nhập để
cung cấp dịch vụ trực tiếp tới khách hàng đòi hỏi chi phí lớn và tốn nhiều thời gian,
công sức.
Hình 2.2 cho thấy, để có thể truyền thông tin qua phương tiện truyền dẫn là
đường dây dẫn điện, cần phải có các thiết bị đầu cuối là PLC modem, các modem

này có chức năng biến đổi tín hiệu từ các thiết bị viễn thông truyền thống như máy
tính, điện thoại sang một định dạng phù hợp để truyền qua đường dây dẫn điện. Với
công nghệ này, mỗi ổ cắm điện chính và bảng phân phối điện trong nhà đều là
những giao diện truyền dẫn thông tin. Như vậy, những ai cần sử dụng các dịch vụ
viễn thông như trên có thể dùng tất cả các dịch vụ thông qua một ổ điện mà không
cần lắp đặt cáp mới (hình 1.1).

Hình 1.2: Truyền thông tin qua đƣờng dây điện
Công nghệ này tuy còn mới mẻ với khách hàng nhưng thực ra đã được sử
dụng từ đầu thế kỷ 20, cho các mục đích truyền thông tin của nội bộ ngành Điện. Ví
dụ như hệ thống CFS (Carrier Frequency System), sử dụng các máy phát 10W để
truyền thông tin bảo vệ, đo đạc trên đường dây cao thế với khoảng cách lên tới
500km hay hệ thống RCS (Ripple Carrier Signalling) sử dụng trong quản lý tải của
hệ thống truyền tải điện hạ thế và trung thế. Hay hiện nay, công nghệ PLC được sử
dụng cho các ứng dụng trong nhà như hệ thống giám sát, cảnh báo, tự động hoá
Ý tưởng truyền tín hiệu thông tin trên đường dây tải điện đã được sử dụng từ
lâu bằng cách sử dụng phương thức điều chế bật tắt sóng mang tin (turn on - turn
off carrier). Giống như các công ty điện lực trên thế giới, từ lâu Tổng công ty Điện
lực Việt Nam đã sử dụng kỹ thuật này để truyền tải ba các thông tin phục vụ ngành
điện, nhưng với cách này tốc độ truyền tin rất thấp. Ngày nay với sự phát triển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


3
nhanh chóng của công nghệ, đặc biệt là công nghệ sản xuất vi mạch tích hợp giá rẻ
cho từng ứng dụng đặc biệt - ASIC (Application Specific Integrated Circuit) đã cho
phép PLC có những bước phát triển nhảy vọt và trở thành một trong những công
nghệ truy cập băng rộng và tốc độ cao đầy hứa hẹn.
1.1.2. Một số thành tựu đạt được của PLC

Ý tưởng về việc gửi tín hiệu thông tin trên cùng một cặp dây được sử dụng
để phân phối điện cũng bắt nguồn từ xa xưa như điện báo, tuy nhiên số lượng thiết
bị truyền thông được cài đặt trên hệ thống dây dành riêng vượt xa số lượng cài đặt
trên dây điện nguồn AC mà không có bất cứ lý do nào. Cho đến mấy thập kỷ gần
đây con người thể nghĩ đến sự lãng phí của việc có bỏ qua khả năng giao tiếp của
nguồn điện AC. Trong năm 1920 có ít nhất hai bằng sáng chế được cấp cho công ty
điện báo điện thoại của Mỹ AT&T trong lĩnh vực của "Truyền tín hiệu qua các
mạch cung cấp”. Bằng sáng chế Hoa Kỳ số 1.607.668 và 1.672.940, nộp trong năm
1924 đã đưa ra hệ thống truyền và nhận tín hiệu truyền thông qua Dòng điện xoay
chiều ba pha. Cho đến thời điểm hiện tại, có thể kể đến một số thành tựu của PLC
như sau:
 Công nghệ PLC băng thông rất thấp (lên đến 25 bps)
- Turtle ® (Tryền dẫn băng siêu hẹp) Thương hiệu thuộc sở hữu của
mạng truyền thông Turtle của Mỹ.
- PFPM (Điều pha tần số công suất).
- Ripple Control (Điều tần qua đường điện).
 Băng thông trung bình baud: (lên đến 9.600 bps)
- Echonet
- Archnet
- Công nghệ bán dẫn, Australia.
- National Semiconductor. (LM1893 / LM 2893)
- Itran
 Băng thông (Hơn 9.600, chủ yếu sử dụng cho IT)
- Inari (Dựa tren chipset IPL0202) 2 MBps.
- Altcom (dựa trên chipset AN1000) 115kbps
- Intellon (INT51X1 Chipset) 14 MBps.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên

4
- Texas Instruments. (Dựa trên DSP đạt 200Mbps)
Tất cả các công nghệ được liệt kê ở trên vẫn còn trong giai đoạn "thử
nghiệm". Sẽ mất một thời gian cho các công nghệ này sẽ được đóng gói thành sản
phẩm cuối cùng và chứng minh cho sự hứa hẹn về băng thông.
1.1.3. Phân loại công nghệ
1.1.3.1. Phân loại theo mức điện áp
- Mức điện áp cao (110-500kV): kết nối các nhà máy điện với các khách
hàng lớn, các khu vực tiêu thụ điện năng với đường truyền tải dài từ vài chục
kilomet đến vài trăm kilomet.
- Mức điện áp trung bình (10-30KV): Cung cấp cho các khu dân cư rộng, các
khu công nghiệp, khu đô thị, khoảng cách truyền tải ngắn hơn từ vài kilomet đến vài
chục kilomet.
- Mức điện áp thấp (110V-380V): Cung cấp điện năng cho các khách hàng là
các hộ gia đình, cơ quan, trường học…với khoảng cách truyền tải ngắn từ vài trăm
mét đến vài kilomet. Hệ thống lưới điện hạ thế kết nối đến tất cả các khách hàng, do
vậy ứng dụng của công nghệ PLC cho mạng truy nhập sử dụng mạng hạ thế có tiềm
năng rất lớn.
Vì thực tế truyền dẫn tín hiệu trên lưới điện thế thấp thực hiện trực tiếp trên
mạng mà phần lớn các thiết bị điện vận hành, tạp âm và méo trên những mạng này
rất cao. Mặt khác các đặc tính vật lý trên mạng này thay đổi theo mỗi tải được bật
hay tắt, vì vậy mỗi công nghệ PLC lưới điện hạ thế cần có giải pháp khắc phục
những vấn đề vật lý như vậy.
1.1.3.2. Phân loại theo tốc độ bít
-PLC băng hẹp - tốc độ bít thấp: Ứng dụng PLC đầu tiên được dùng cho
phạm vi tự động trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Phạm vi này chỉ yêu cầu tốc độ
bít thấp. Vì lý do đó và vì lý do quy định, người ta đã xác định giải tần có thể dùng
cho yêu cầu tự động trong nhà và trong lĩnh vực cung cấp điện năng. Dải tần đó
nằm trong khoảng từ 3KHz đến 148.5KHz (Tiêu chuẩn CENELEC - châu Âu) hoặc
từ 3KHz đến 450KHz (Tiêu chuẩn ở Mỹ và Nhật).

- PLC băng rộng - tốc độ cao: Vì giải tần được quy định bời CENELEC chỉ
cho phép truyền dẫn ở tốc độ tương đối thấp, các nghiên cứu cho giải tần cao đang
được thực hiện. Vấn đề chính của dải tần này là tín hiệu tần số cao đặt trên dây dẫn

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


5
sẽ suy hao lớn. Dải tần MHz cũng xung đột với tần số dùng cho các dịch vụ khác
chẳng hạn như an ninh, điều khiển không lưu, cac dịch vụ phát thanh quảng bá, dịch
vụ quảng cáo khác… Đó là lý do tại sao cần phải đề ra các quy định thống nhất.
Hiện nay dải tần từ 1 - 10 MHz được dùng cho các úng dụng ngoài nhà (Outdoor),
còn dải tần từ 10 - 30 MHz dành cho các ứng dụng trong nhà (Inhouse).
1.1.3.3. Phân loai theo phạm vi
-PLC trong nhà (In - House PLC): Hệ thống PLC trong nhà dùng các cáp
điện trong nhà để truyền dẫn giữa các thiết bị PLC khác nhau trong nhà. Hệ
thống trong nhà có thể hoạt động như mạng riêng mà không có bất kỳ một kết
nối ra bên ngoài.
- “Last mile” PLC: Là mạng truy nhập nội hạt cho phép kết nối giữa mạng
trục truyền thoại và số liệu và điểm cung cấp cho từng khách hàng thông qua các
điểm kết nối đến nhà khách hàng. Trong nhiều trường hợp trạm hạ áp sẽ được dùng
như điểm kết nối mạng trục và mạng điện hạ thế sẽ được dùng để kết nối đến nhà
khách hàng. Điểm kết nối mạng trục cũng có thể được tổ chức ở trạm biến áp trung
thế hoặc ở những điểm thích hợp khác.
Tại Châu Âu, ETSI đã xác định kế hoạch phân bố băng tần từ 1,6 Mhz đến
10 Mhz được ấn định dành riêng (hoặc ưu tiên) cho truy nhập nội hạt, dải tần từ 10
Mhz đến 30 Mhz được ưu tiên dành cho ứng dụng mạng gia đình (in-house).
1.1.3.4. Phân loại theo phương thức điều chế
Bốn kỹ thuật khác nhau có thể được sử dụng cho truyền thông qua đường
dây điện lực. Với một PLL (vòng khóa pha), quá trình truyền tải có thể được thực

hiện với các kỹ thuật điều chế số Khóa dịch biên độ (ASK), khóa dịch tần số (FSK)
hoặc khóa dịch pha (PSK). Đây là một công nghệ nổi tiếng và không tốn kém,
nhưng hiệu quả bị hạn chế.
Kỹ thuật thứ hai là dựa trên nguyên lý trải phổ với một bộ tương quan. Ở đây,
tín hiệu phát chiếm băng thông lớn hơn đáng kể băng thông tối thiểu cần thiết để
gửi các thông tin vì vậy nó được trải ra và được điều chế. Đầu thu cần biết mẫu phát
và tín hiệu được lấy mẫu thường xuyên. Băng thông thấp sẽ làm tăng tính nhạy cảm
với hiện tượng méo tín hiệu do đó cần phải thay đổi (Máy thu hình là một ví dụ phổ
biến của biến dạng méo tín hiệu).

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


6
Kỹ thuật thứ ba kết hợp làm việc DSP trong một dải hẹp và sử dụng chế độ
hai tần số sóng mang hoạt động với bộ triệt nhiễu xung và một cơ chế điều chỉnh
thích ứng với méo tín hiệu.
Kỹ thuật thứ tư kết hợp điều chế của một tần số thấp, xung cường độ cao
trong dòng điện để liên lạc. Các loại hình giao tiếp như vậy đã được thử nghiệm bởi
các công ty phân phối để quản lý tránh các lỗi của tải của họ Trong số các công
nghệ PLC có sẵn, kỹ thuật này hứa hẹn việc truyền tín hiệu qua máy biến áp và do
đó có thể thực hiện trên một khoảng cách dài hơn.
1.2. Nguyên lý cơ bản và sơ đồ khối của hệ thống truyền thông tin trên đƣờng
cáp điện lực
1.2.1. Nguyên lý cơ bản của hệ thống
Ý tưởng cùa công nghệ PLC là ghép tín hiệu số liệu có tần số cao vào đường
cáp điện có tín hiệu cơ bản là 50/60Hz đưa đến khối sử lý tín hiệu. Việc ghép tín
hiệu là một khía cạnh quan trọng của công nghệ PLC. Tín hiệu thông tin cần truyền
phải nằm trong dải tần cao hơn nhiều tần số của dòng điện chính và các hài của nó.
Đồng thời, tín hiệu phải có công suất đủ lớn để đưa vào đường cáp điện. Một biến

áp có đặc tính thông cao có thể được dùng để ghép tín hiệu vào dòng điện chính. Bộ
lọc thông cao đảm bảo dòng điện chính và các hài của nó được cách ly khỏi modem.

Từ bộ chuyển đổi A/D
và lọc thông thấp
Tầng công suất
phía phát
Bảo vệ quá áp
Biến áp với bộ lọc thông cao
Cáp điện
a. Ghép tín hiệu vào đƣờng dây điện
Cáp điện

Biến áp với bộ lọc
thông cao

Bộ lọc dải vào
Xử lý số
liệu
Dòng điện chính
b.Tách tín hiệu ra khỏi đƣờng dây điện


Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


7
Hình 1.3 Ghép và tách tín hiệu ra khỏi đƣờng dây điện
Phía thu, bộ lọc được dùng để cách ly tín hiệu điện và tín hiệu số liệu. Bộ lọc
thông cao sẽ chặn lại tín hiệu dòng điện chính 50/60Hz, cho qua tín hiệu tần số cao

đưa đến khối xử lý số liệu.
Phương pháp như trên làm việc tốt với dải tần nhỏ hơn 150KHz, nhưng đối
với dải tần cao hơn, cần có các mạch phụ để cho phép ghép tín hiệu qua biến áp.
Việc ghép tín hiệu cũng phải đảm bảo bảo vệ modem không bị phá hỏng trong quá
trình quá của dòng điện chính. Quá trình quá độ có đủ năng lượng để làm hỏng
mạch điện.
1.2.2. Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 1.4: Sơ đồ khối của hệ thống
1.2.2.1. Khối cách ly (Power Line Isolation)
Một phần quan trọng của bộ phát và thu tín hiệu trên đường dây điện lực là
giao diện giao tiếp với đường dây điện lực. Bởi vì mạch của chúng ta phải giao tiếp
với lưới điện 220V- 50Hz, nếu không có sự cách ly cẩn thận, những phần còn lại
của mạch điện có thể dễ dàng bị cháy.
Ý tưởng cho mạch cách ly là có thể hoàn toàn ngăn chặn tín hiệu 50Hz, cho
các tín hiệu thông tin đi qua. Tín hiệu thông tin trong trường hợp này là các tín hiệu
điều chế tần số. Trong mạch điện này, tần số sóng mang có thể được thiết lập xung
quanh giá trị 70KHz. Bởi vì các tín hiệu vào có một tần số giới hạn trong khoảng từ
500Hz đến 5KHz mạch cách ly sẽ phải cho phép các tín hiệu trong khoảng từ
65KHz đến 75KHz. Mạch các ly là một tụ điện 10nF được nối với một biến áp âm
tần. Mạch này hoàn toàn ngăn chặn các tín hiệu 50Hz và cho tín hiệu trong khoảng
50KHz đến 80KHz đi qua. Bằng việc đặt mạch cách ly này giữa đường dây điện lực
và phần còn lại của mạch điện, chúng ta chắc chắn rằng tín hiệu điện áp 220V sẽ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


8
không ảnh hưởng đến mạch phát và mạch thu, và do đó tín hiệu thông tin có thể
truyền và nhận được trên đường dây điện lực.

1.2.2.2. Khối điều chế tín hiệu (Signal Modulation)
Được sử dụng để điều chế tín hiệu vào. Nó có thể được sử dụng để phát ra tín
hiệu xung vuông và xung tam giác sao cho phù hợp với kênh truyền.
1.2.2.3 . Khuếch đại của bộ phát và bộ thu (Signal Amplification)
Tín hiệu từ nguồn thường rất nhỏ. Thậm chí sau khi điều chế, nó không đủ
mạnh để bộ phận có thể thu được bởi vì phải chịu sự tác động cao của nhiễu trên
đường dây điện lực. Do đó, tín hiệu điều chế cần phải được khuếch đại trước khi
đưa lên hoặc vừa mới nhận được từ đường dây điện lực.
1.2.1.4. Khối giải điều chế tín hiệu (Signal Demodulation)
Tần số điều chế được sử dụng trong bộ phát để điều chế tín hiệu vào. Trong
mạch thu, tín hiệu điều chế tần số này được khôi phục. Với bộ dao động điều khiển
bằng điện áp hoạt động tuyến tính và ổn định sử dụng cho điều chế tần số với độ
méo nhỏ.
1.3. Một số ứng dụng thực tiễn của PLC
Có thể nói phạm vi ứng dụng của công nghệ PLC rất rộng lớn. Ban đầu là
truyền tải thông tin phục vụ ngành điện như hệ thống đo lường, giám sát, điều khiển
trên đường dây điện lực.
Hiện nay, công nghệ PLC đã được triển khai rộng khắp ở nhiều nước. Hai
lĩnh vực áp dụng hiện nay của PLC là:
- Truy nhập nội hạt (last mile access)
- Kết nối mạng trong nhà (in - house networking).
Các dịch vụ của PLC luôn sẵn sàng tại mọi ổ điện và không cần thi công cáp,
bao gồm: truy nhập băng thông rộng (tới 45Mbit/s hoặc hơn), các kết nối này luôn
online, dich vụ thoại và fax, kết nối LAN (inhouse LAN) cho các PLC và máy in,
các dịch vụ băng hẹp khác như (house automation, health care…).
Trên đây chỉ là một trong số phạm vi ứng dung nhất định hiện đang được áp
dụng trên thế giới. Trong tương lai, các thiết bị PLC có thể cung cấp băng thông tới
vài chục Mbit/s (hiện nay DS2 đã cho thương mại hóa sản phẩm PLC băng thông
đạt 45Mbit/s) để cung cấp các ứng dụng VoD, hội nghị truyền hình. Có thể kể ra
một số hướng ứng dụng cụ thể như sau

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


9
1.3.1. Ứng dụng trong các hệ thống quản lý, giám sát lưới điện và đồng hồ

Hình 1.5: Ứng dụng PLC trong quản lý điện
Mỗi công tơ điện được gắn thêm một thiết bị thu phát PLC, thông tin trên
công tơ sẽ được truyền về trung tâm, như thế việc quản lý và thu thập số liệu sẽ đơn
giản hơn rất nhiều so với cách làm truyền thống là phải cử người đến từng công tơ
để lấy số liệu. Thêm nữa, số liệu trên công tơ điện có thể gửi đến nhà khách hàng
tương ứng, như vậy người sử dụng sẽ kiểm soát được việc sử dụng điện của mình
một cách hợp lý hơn.
1.3.2. Truyền thông đường dài tốc độ cao
Với ứng dụng công nghệ PLC thì việc truyền thông tin đường dài,ngoài
những công nghệ truyền thống như cáp quang, vi ba thì hiện nay đã có thêm một
giải pháp,đó là dùng đường dây tải điện cao thế để kết hợp truyền thông tin tốc độ
cao. Tuy có sự suy hao lớn do bức xạ ra ngoài không gian lên tầm xa bị hạn chế
nhất định nhưng lại có ưu điểm rất lớn là đường dây tải điện cao thế từ hàng chục
KV đến hàng trăm KV đều có sẵn ở mọi nơi.
1.3.3. Mạng truy cập Internet sử dụng công nghệ PLC

Hình 1.6: Mạng thông tin PLC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên


10
Thay vì phải đi từng đường cáp riêng biệt đến từng nhà người sử dụng, việc

ứng dụng PLC cho phép tích hợp đường điện thoại, đường truyền Internet vào cùng
một đường điện lưới.
1.3.4. Ứng dụng trong gia đình - Intelligent home

Hình 1.7: Mô hình ứng dụng PLC trong gia đình - Intelligent home
Đó là ý tưởng cho một căn nhà hiện đại tự động hoàn toàn với các thiết bị
điện được điều khiển theo ý muốn của người sử dụng. Hầu hết các thiết bị điện
trong nhà đều được tích hợp với modem PLC và người sử dụng có thể điều khiển
bất kỳ thiết bị nào ở mọi nơi trong nhà như các hệ thống chiếu sáng được quản lý và
hoạt động tự động do một máy tính trung tâm điều khiển, cánh cổng cũng được điều
khiển đóng mở tự động hay các hệ thống báo động, camera đều được quản lý và
điều khiển qua hệ thống PLC. Không những thế, các thiết bị điện còn có thể tự động
gửi thông tin (nhiệt độ, độ ẩm, tình trạng quả tải) đến một máy chủ trong nhà để
người sử dụng có thể dễ dàng biết được tình trạng của toàn bộ các thiết bị. Ta có thể
thấy rõ ràng rằng, nếu không sử dụng công nghẹ PLC cho hệ thống đa dạng như
trên thì việc đi các đường cáp tín hiệu sẽ rất phức tạp.
1.4. Các giao thức truyền thông qua đƣờng dây điện lực
Có nhiều công nghệ truyền thông trên đường dây điện đã được triển khai đến
nay. Đó là LonWorks, X - 10, OFDM, Passport, CEBus, và chuẩn HomePlug. Tất
cả các công nghệ này sẽ được thảo luận vắn tắt ở phần này.
1.4.1. X10